Grundlæggende åndedrætsfysiologi

Lungernes primære (men ikke eneste) funktion er at sikre normal gasudveksling. Ekstern respiration er processen med gasudveksling mellem atmosfærisk luft og blod i lungekapillærerne, hvilket resulterer i arterialisering af blodsammensætningen: ilttrykket stiger, og CO2-trykket falder. Intensiteten af gasudvekslingen bestemmes primært af tre patofysiologiske mekanismer (pulmonal ventilation, pulmonal blodgennemstrømning, diffusion af gasser gennem den alveolære-kapillære membran), som leveres af det eksterne respirationssystem.

Pulmonal ventilation

Pulmonal ventilation bestemmes af følgende faktorer (AP Zilber):

1. mekanisk ventilationsapparat, som primært afhænger af aktiviteten i respirationsmusklerne, deres nerveregulering og brystvæggenes mobilitet;
2. elasticitet og udstrækning af lungevævet og brystkassen;
3. luftvejsåbning;
4. Intrapulmonal fordeling af luft og dens korrespondance med blodgennemstrømningen i forskellige dele af lungen.

Når en eller flere af ovenstående faktorer forstyrres, kan der udvikles klinisk signifikante ventilationsforstyrrelser, som manifesterer sig ved flere typer ventilatorisk respirationssvigt.

Af respirationsmusklerne spiller diafragma den vigtigste rolle. Dens aktive sammentrækning fører til et fald i det intrathorakale og intrapleurale tryk, som bliver lavere end atmosfærisk tryk, hvilket resulterer i indånding.

Indånding opnås gennem aktiv sammentrækning af respirationsmusklerne (diafragma), og udånding sker primært på grund af den elastiske trækkraft fra selve lungen og brystvæggen, hvilket skaber en ekspiratorisk trykgradient, som under fysiologiske forhold er tilstrækkelig til at udstøde luft gennem luftvejene.

Når det er nødvendigt at øge ventilationsvolumenet, trækker de eksterne interkostale, scaleniske og sternocleidomastoideusmuskler (yderligere inspiratoriske muskler) sig sammen, hvilket også fører til en stigning i brystkassens volumen og et fald i det intrathorakale tryk, hvilket letter indåndingen. Yderligere ekspiratoriske muskler betragtes som musklerne i den forreste bugvæg (ydre og indre skrå, lige og tværgående).

Elasticitet af lungevæv og brystvæg

Lungernes elasticitet. Luftstrømmens bevægelse under indånding (ind i lungerne) og udånding (ud af lungerne) bestemmes af trykgradienten mellem atmosfæren og alveolerne, det såkaldte transthorakale tryk (Ptr _/ t ₎:

Рtr/t = Рalv Рatm _hvor Рalv _er alveolært tryk og Рatm _er atmosfærisk tryk.

Under indånding bliver P _alv og P _tr/t negative, under udånding bliver de positive. Ved afslutningen af indåndingen og ved afslutningen af udåndingen, når luften ikke bevæger sig langs luftvejene, og glottis er åben, er P _alv lig med P _atm.

Niveauet af P _alv afhænger igen af værdien af det intrapleurale tryk (P _pl ) og det såkaldte elastiske rekyltryk i lungen (P _el ):

Det elastiske rekyltryk er det tryk, der skabes af lungens elastiske parenkym og rettes ind i lungen. Jo højere lungevævets elasticitet er, desto større skal faldet i det intrapleurale tryk være for at lungen kan udvide sig under indånding, og følgelig skal det aktive arbejde fra de inspiratoriske respirationsmuskler være større. Høj elasticitet fremmer hurtigere kollaps af lungen under udånding.

En anden vigtig indikator, den inverse af lungevævets elasticitet - apatisk lungecompliance - er et mål for lungens compliance, når den er rettet ud. Lungens compliance (og størrelsen af det elastiske rekyltryk) påvirkes af mange faktorer:

1. Lungevolumen: ved lav volumen (f.eks. i begyndelsen af inspirationen) er lungen mere fleksibel. Ved høj volumen (f.eks. ved højdepunktet af maksimal inspiration) falder lungecompliancen kraftigt og bliver nul.
2. Indhold af elastiske strukturer (elastin og kollagen) i lungevæv. Lungemfysem, som er kendt for at være karakteriseret ved et fald i lungevævets elasticitet, ledsages af en stigning i lungernes strækbarhed (et fald i elastisk rekyltryk).
3. Fortykkelse af alveolvæggene på grund af deres inflammatoriske (pneumoni) eller hæmodynamiske (blodstagnation i lungen) ødem, samt fibrose i lungevævet reducerer lungens strækbarhed (compliance) betydeligt.
4. Overfladespændingskræfter i alveolerne. De opstår ved grænsefladen mellem gas og væske, som beklæder alveolerne indefra med en tynd film, og har en tendens til at reducere arealet af denne overflade, hvilket skaber et positivt tryk inde i alveolerne. Således sikrer overfladespændingskræfter, sammen med lungernes elastiske strukturer, en effektiv kollaps af alveolerne under udånding og forhindrer samtidig udretning (strækning) af lungen under indånding.

Det overfladeaktive stof, der beklæder den indre overflade af alveolerne, er et stof, der reducerer overfladespændingen.

Jo højere aktiviteten af det overfladeaktive stof er, desto tættere er det. Derfor, når densiteten og dermed aktiviteten af det overfladeaktive stof falder under indånding, øges overfladespændingskræfterne (dvs. de kræfter, der har tendens til at reducere alveolernes overflade), hvilket bidrager til den efterfølgende kollaps af lungevævet under udånding. Ved slutningen af udåndingen øges densiteten og aktiviteten af det overfladeaktive stof, og overfladespændingskræfterne falder.

Når udåndingen er afsluttet, og aktiviteten af det overfladeaktive stof er maksimal, og overfladespændingskræfterne, der forhindrer alveolernes udretning, er minimale, kræver den efterfølgende udretning af alveolerne under indånding således mindre energiforbrug.

De vigtigste fysiologiske funktioner af overfladeaktive stoffer er:

• øget lungecompliance på grund af et fald i overfladespændingskræfter;
• reducerer sandsynligheden for kollaps af alveolerne under udånding, da ved lave lungevolumener (ved slutningen af udåndingen) er dens aktivitet maksimal, og overfladespændingskræfterne er minimale;
• forhindrer omfordeling af luft fra mindre til større alveoler (ifølge Laplaces lov).

Ved sygdomme ledsaget af mangel på overfladeaktivt stof øges lungestivheden, alveolerne kollapser (atelektase udvikles), og respirationssvigt opstår.

[ 1 ]

Plastisk rekyl af brystvæggen

Brystvæggens elastiske egenskaber, som også har stor indflydelse på lungeventilationens natur, bestemmes af skeletsystemets tilstand, interkostale muskler, blødt væv og parietal pleura.

Ved minimale bryst- og lungevolumener (under maksimal udånding) og i begyndelsen af indåndingen rettes brystvæggens elastiske rekyl udad, hvilket skaber negativt tryk og fremmer lungeekspansion. Når lungevolumenet stiger under indånding, falder brystvæggens elastiske rekyl. Når lungevolumenet når cirka 60 % af VC-værdien, falder brystvæggens elastiske rekyl til nul, dvs. til niveauet for atmosfærisk tryk. Med en yderligere stigning i lungevolumen rettes brystvæggens elastiske rekyl indad, hvilket skaber positivt tryk og fremmer lungekollaps under efterfølgende udånding.

Nogle sygdomme ledsages af øget stivhed i brystvæggen, hvilket påvirker brystkassens evne til at strække sig (under indånding) og kollapse (under udånding). Sådanne sygdomme omfatter fedme, kyfoskolose, lungeemfysem, massive adhæsioner, fibrothorax osv.

Luftvejsåbning og mucociliær clearance

Luftvejenes åbenhed afhænger i høj grad af den normale dræning af trakeobronkiale sekreter, hvilket først og fremmest sikres af funktionen af den mucociliære clearance-mekanisme og en normal hosterefleks.

Den beskyttende funktion af det mucociliære apparat bestemmes af den tilstrækkelige og koordinerede funktion af det cilierede og sekretoriske epitel, hvorved en tynd film af sekret bevæger sig langs overfladen af bronkialslimhinden, og fremmedlegemer fjernes. Bevægelsen af bronkial sekret sker på grund af hurtige impulser af cilier i kranial retning med en langsommere tilbagevenden i den modsatte retning. Hyppigheden af cilieroscillationer er 1000-1200 pr. minut, hvilket sikrer bevægelse af bronkialslim med en hastighed på 0,3-1,0 cm/min i bronkierne og 2-3 cm/min i luftrøret.

Det skal også huskes, at bronkialslim består af 2 lag: det nedre flydende lag (sol) og den øvre viskøs-elastiske gel, som berøres af spidserne af cilier. Funktionen af det cilierede epitel afhænger i høj grad af forholdet mellem tykkelsen af yule og gel: en forøgelse af tykkelsen af gelen eller et fald i tykkelsen af sol fører til et fald i effektiviteten af mucociliær clearance.

På niveau med de respiratoriske bronkioler og alveoler i det mucociliære apparat ist. Her udføres rensning ved hjælp af hosterefleksen og cellernes fagocytiske aktivitet.

Ved inflammatorisk skade på bronkierne, især kronisk, genopbygges epitelet morfologisk og funktionelt, hvilket kan føre til mukociliær insufficiens (et fald i mukociliærapparatets beskyttende funktioner) og ophobning af sputum i bronkiernes lumen.

Under patologiske forhold afhænger luftvejenes åbenhed ikke kun af funktionen af den mucociliære clearancemekanisme, men også af tilstedeværelsen af bronkospasme, inflammatorisk ødem i slimhinden og fænomenet tidlig ekspiratorisk lukning (kollaps) af de små bronkier.

[ 2 ], [ 3 ], [ 4 ], [ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ]

Regulering af bronkial lumen

Tonen i bronkiernes glatte muskler bestemmes af flere mekanismer forbundet med stimulering af adskillige specifikke receptorer i bronkierne:

1. Kolinerge (parasympatiske) effekter opstår som følge af neurotransmitteren acetylcholins interaktion med specifikke muskariniske M-kolinerge receptorer. Som følge af denne interaktion udvikles bronkospasme.
2. Sympatisk innervation af bronkiernes glatte muskulatur hos mennesker udtrykkes i lille grad, i modsætning til for eksempel den glatte muskulatur i karrene og hjertemusklen. Sympatiske virkninger på bronkierne udføres hovedsageligt på grund af cirkulerende adrenalins virkning på beta2-adrenoreceptorer, hvilket fører til afslapning af den glatte muskulatur.
3. Glat muskeltonus påvirkes også af det såkaldte "ikke-adrenerge, ikke-kolinerge" nervesystem (NANC), hvis fibre løber som en del af vagusnerven og frigiver adskillige specifikke neurotransmittere, der interagerer med de tilsvarende receptorer i de bronkiale glatte muskler. De vigtigste af disse er:
   • vasoaktivt intestinalt polypeptid (VIP);
   • stof R.

Stimulering af VIP-receptorer fører til udtalt afslapning, og beta-receptorer til sammentrækning af bronkial glat muskulatur. Det menes, at neuroner i NANH-systemet har størst indflydelse på reguleringen af luftvejenes lumen (KK Murray).

Derudover indeholder bronkierne et stort antal receptorer, der interagerer med forskellige biologisk aktive stoffer, herunder inflammatoriske mediatorer - histamin, bradykinin, leukotriener, prostaglandiner, blodpladeaktiverende faktor (PAF), serotonin, adenosin osv.

Tonen i bronkiernes glatte muskler reguleres af flere neurohumorale mekanismer:

1. Bronkial dilatation udvikles med stimulering:
   • beta2-adrenerge receptorer adrenalin;
   • VIP-receptorer (NANH-systemet) af vasoaktivt intestinalt polypeptid.
2. Forsnævring af bronkiallumen forekommer ved stimulering af:
   • M-kolinerge receptorer acetylkolin;
   • receptorer for substans P (NANH-systemet);
   • Alfa-adrenerge receptorer (for eksempel med blokade eller nedsat følsomhed af beta2-adrenerge receptorer).

Intrapulmonal luftfordeling og dens korrespondance med blodgennemstrømning

Den ujævnhed i lungernes ventilation, som er typisk, bestemmes først og fremmest af heterogeniteten i lungevævets mekaniske egenskaber. De basale dele af lungerne ventileres mest aktivt, og i mindre grad de øvre dele af lungerne. En ændring i alveolernes elastiske egenskaber (især ved lungeemfysem) eller en krænkelse af bronkiernes passage forværrer ujævnhederne i ventilationen betydeligt, øger det fysiologiske dødrum og reducerer ventilationens effektivitet.

Diffusion af gasser

Processen med gasdiffusion gennem den alveolær-kapillære membran afhænger

1. fra gradienten af partialtryk af gasser på begge sider af membranen (i den alveolære luft og i pulmonale kapillærer);
2. fra tykkelsen af den alveolær-kapillære membran;
3. fra den samlede overflade af diffusionszonen i lungen.

Hos en rask person er partialtrykket af ilt (PO2) i alveoleluften normalt 100 mm Hg, og i venøst blod - 40 mm Hg. Partialtrykket af CO2 (PCO2) i venøst blod er 46 mm Hg, i alveoleluften - 40 mm Hg. Trykgradienten for ilt er således 60 mm Hg, og for kuldioxid - kun 6 mm Hg. Diffusionshastigheden af CO2 gennem alveole-kapillærmembranen er dog cirka 20 gange større end O2. Derfor sker udvekslingen af CO2 i lungerne ret fuldstændigt, på trods af den relativt lave trykgradient mellem alveoler og kapillærer.

Den alveolære-kapillære membran består af et overfladeaktivt lag, der beklæder den indre overflade af alveolen, alveolærmembranen, det interstitielle rum, den pulmonale kapillærmembran, blodplasmaet og erytrocytmembranen. Skader på hver af disse komponenter i den alveolære-kapillære membran kan føre til betydelige vanskeligheder med gasdiffusion. Som følge heraf kan ovenstående værdier for partialtrykket af O2 og CO2 i den alveolære luft og kapillærer ændre sig betydeligt ved sygdomme.

[ 11 ], [ 12 ]

Pulmonal blodgennemstrømning

Der er to kredsløbssystemer i lungerne: den bronkiale blodstrøm, som er en del af den systemiske cirkulation, og selve den pulmonale blodstrøm, eller den såkaldte pulmonale cirkulation. Der er anastomoser mellem dem under både fysiologiske og patologiske forhold.

Den pulmonale blodgennemstrømning er funktionelt placeret mellem højre og venstre hjertehalvdel. Den drivende kraft bag den pulmonale blodgennemstrømning er trykgradienten mellem højre ventrikel og venstre atrium (normalt omkring 8 mm Hg). Iltfattigt og kuldioxidmættet venøst blod kommer ind i lungekapillærerne gennem arterierne. Som følge af gasdiffusion i alveolerne mættes blodet med ilt og renses for kuldioxid, hvilket resulterer i, at arterielt blod strømmer fra lungerne til venstre atrium gennem venerne. I praksis kan disse værdier svinge betydeligt. Dette gælder især for niveauet af PaO2 i arterielt blod, som normalt er omkring 95 mm Hg.

Niveauet af gasudveksling i lungerne med normal funktion af åndedrætsmusklerne, god passage af luftvejene og lille ændring i lungevævets elasticitet bestemmes af blodperfusionshastigheden gennem lungerne og tilstanden af den alveolære-kapillære membran, hvorigennem diffusion af gasser forekommer under påvirkning af gradienten af partialtrykket af ilt og kuldioxid.

Ventilation-perfusionsforhold

Niveauet af gasudveksling i lungerne bestemmes, udover intensiteten af pulmonal ventilation og gasdiffusion, også af ventilation-perfusionsforholdet (V/Q). Normalt, med en iltkoncentration i den indåndede luft på 21% og normalt atmosfærisk tryk, er V/Q-forholdet 0,8.

Alt andet lige kan et fald i arteriel blodiltning skyldes to årsager:

• et fald i pulmonal ventilation, samtidig med at blodgennemstrømningen opretholdes, når V/Q < 0,8-1,0;
• nedsat blodgennemstrømning med bevaret alveolær ventilation (V/Q > 1,0).